專利名稱：一種基于靜電噴印制備陣列化圖案的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用靜電紡絲技術(shù)制備的高精度陣列化圖案及其制備方法和裝置，屬于電子制造電噴印技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
噴印技術(shù)作為一種制造工藝工具，其應(yīng)用可以追溯到上個(gè)世紀(jì)50年代西門子將其用于機(jī)器輸出軌跡的打點(diǎn)，更多的發(fā)展則發(fā)生在I960 1980期間，這使得現(xiàn)在噴印技術(shù)能在許多領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用，包括圖像輸出與標(biāo)記等。傳統(tǒng)的噴印技術(shù)主要采用連續(xù)噴印(CIJ)和按需噴印(DOD)兩種方法，兩種噴印技術(shù)都能夠產(chǎn)生直徑范圍在20-150微米的液滴CIJ主要應(yīng)用于編碼和標(biāo)識(shí)，液滴直徑約為100微米；DOD則主要應(yīng)用在圖像和文字打印上，液滴直徑更小，通常在20-50微米。由于傳統(tǒng)的噴印技術(shù)采用熱力或者壓力的方式產(chǎn)生噴射，使得其在液滴噴射的產(chǎn)生與噴射依賴與噴印頭的尺寸，而一般為噴印頭直徑的1. 89倍，制造細(xì)小的噴印頭需要復(fù)雜的微制造工藝與材料，因此傳統(tǒng)噴印技術(shù)制造細(xì)小液滴基本無法實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)的噴印技術(shù)相比，通過靜電場產(chǎn)生噴射的噴印技術(shù)(電流體動(dòng)力噴印)能夠產(chǎn)生更細(xì)小的液滴與液絲，直徑可以達(dá)到納米級(jí)別。同時(shí)，電流體動(dòng)力噴印技術(shù)可以噴印高分子有機(jī)物等多種材料，使得其應(yīng)用范圍更加寬廣，如柔性電子制造，陶瓷元件制造，組織工程等。然而，由于在噴射過程中液絲會(huì)產(chǎn)生“鞭動(dòng)”等不穩(wěn)定現(xiàn)象，使得這種技術(shù)只應(yīng)用在了靜電紡絲上以獲得有特定性能的纖維，而難以用于有高定位精度要求的噴印圖案上。(參考文獻(xiàn):Derby, B. (2010). “ Inkjet Printing of Functional and Structural Materials :Fluid Property Requirements, Feature Stability, and Resolution. " Annual Review of Materials Research 40 :395-414 ；Zhouping YIN, Yongan Huong，NingBin BU,Xiaomei WANG&Youlun XIONG(2010). “ Inkjet printing for flexible electronics -Materials, processes and equipments. " Chinese Science Bulletin Vol. 55No. 3 :1_25。)綜上所述，現(xiàn)有的電流體動(dòng)力噴印技術(shù)以下幾個(gè)缺點(diǎn)(1)噴印打印定位精度較低；( 連續(xù)噴印可控性差；(3)打印分辨率難以提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一在于，針對(duì)傳統(tǒng)電流體動(dòng)力噴印技術(shù)的噴射不穩(wěn)定和難以定位等缺陷，提出一種基于電流體動(dòng)力噴印的陣列化圖案噴印裝置，突破傳統(tǒng)電流體噴印技術(shù)在液絲定位與噴印特定圖案上的限制，可高效高精度的制造陣列化圖案，其線寬分辨率可達(dá)到200nm，圖案定位精度可達(dá)到5 μ m。為實(shí)現(xiàn)該該發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案如下一種基于電流體動(dòng)力噴印的陣列化圖案噴印裝置，包括金屬針頭，承印層，金屬基板，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和高壓發(fā)生器，其中，所述金屬針頭設(shè)置在承印層上方，該承印層設(shè)置在金屬基板上，該金屬針頭和金屬基板分別連接到高壓發(fā)生器正負(fù)端，從而在兩者之間形成電場， 所述金屬基板可在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)下作平面運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)承印層運(yùn)動(dòng)，在電場作用下，噴印溶液通過金屬針頭流出并形成射流噴射到運(yùn)動(dòng)的承印層上，即可在該承印層上形成所需的噴印圖案。作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述金屬針頭設(shè)置在一高度調(diào)節(jié)架上，其相對(duì)金屬基板的距離可通過該高度調(diào)節(jié)架進(jìn)行調(diào)節(jié)。作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述裝置還包括流量泵，注射器和導(dǎo)管，噴印溶液通過所述流量泵泵入注射器，并進(jìn)而通過所述導(dǎo)管流入金屬針頭。作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述的高壓發(fā)生器的正極接在金屬針頭上，負(fù)極接在金屬基板上。作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述承印層可以為硅片或紙張。作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述金屬針頭與金屬基板的間距即兩極距離，為5 30mm。作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述流量泵所供給的溶液流量為10 lOOOnl/min。作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述高壓發(fā)生器上施加的電壓為0. 75 2. 50kV。本發(fā)明的目的之二在于提供一種利用上述裝置制備陣列化圖案的方法，具體包括如下步驟(1)制備噴印溶液。采用高分子聚合物(如PEO，PVP等)，按照一定質(zhì)量比O % 6%)，配置成具有一定粘度的溶液，并在磁力攪拌器下邊加熱邊攪拌數(shù)小時(shí)，待充分溶解均勻后，冷卻后得到可噴印的溶液。將溶液充入導(dǎo)管和流量泵的注射器中。(2)靜電噴印。將高壓發(fā)生器9的正極與金屬針頭相連，負(fù)極與金屬基板相連，并將正負(fù)極距離調(diào)節(jié)到5 IOmm;對(duì)注射泵進(jìn)行精密控制，使得高分子溶液以一定的流量(10 IOOnl/ min)進(jìn)行供給，同時(shí)高壓發(fā)生器在針頭和收集板之間施加電壓(0. 75 2. 50kV)；當(dāng)針頭部分的溶液所受電場力大于溶液表面張力時(shí)，針頭部分形成泰勒錐并形成射流；射流在電場力的作用下垂直落下，形成射流沉積到基板上。(3)待射流精確定位到基板上的同時(shí)，通過控制基板在X-Y方向按照圖案的設(shè)定的軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，即可以得到所需圖案。本發(fā)明所述的高分子溶液，需配置合適的濃度，在一定溫度下使用攪拌器攪拌，并靜止若干小時(shí)，使其充分均勻。此溶液中高分子材料，包括聚氧化乙烯，PED0T:PSS等可配置成溶液的絕緣、導(dǎo)電的功能材料，同時(shí)也包括金屬納米粒子/聚合物的復(fù)合材料。其噴射穩(wěn)定且定位準(zhǔn)確的機(jī)理在于在噴射過程中產(chǎn)生“鞭動(dòng)”時(shí)，由于兩極距離較近使得“鞭動(dòng)”引起的擺動(dòng)可控制在較小的范圍內(nèi)，從而得到射流在基板上的精確定位。 同時(shí)基板上已吸附的射流對(duì)空間中下落的纖維的拉拽作用，可以沿直線對(duì)纖維進(jìn)行收集打印。另一方面，通過控制收集基板的運(yùn)動(dòng)而非噴射針頭的運(yùn)動(dòng)，可以保證噴射過程的穩(wěn)定，與傳統(tǒng)噴印技術(shù)或靜電紡絲技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)具有1)定位精度高，本發(fā)明中由于噴射針頭的位置不變，而采用運(yùn)動(dòng)基板位置來噴印圖案，可以保證針頭部位噴射過程的穩(wěn)定，同時(shí)基板對(duì)在空間中下落的纖維有拉拽作用，可以保證纖維形成時(shí)的直線度。2)成本低，本發(fā)明無需涉及光刻等復(fù)雜工藝，且材料成本低廉，并可以采用卷到卷工藝進(jìn)行批量生產(chǎn)。3)效率高，陣列化圖案的獲得還可以通過多個(gè)噴嘴實(shí)現(xiàn)，可快速制備陣列化圖案。4)該方法為連續(xù)打印方式，打印速度可達(dá)lm/s，可快速在大面積內(nèi)進(jìn)行圖案沉積。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；1為流量泵，2為注射器，3為導(dǎo)管，4為高度調(diào)節(jié)架，5為金屬針頭，6為承印層，7為金屬基板，8為X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，9為高壓發(fā)生器；圖2是噴印陣列化直線時(shí)，X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖。圖3是采用陣列化直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，噴印的PEO溶液(6% )，在電壓為2. 5kV，兩極距離為5mm，運(yùn)動(dòng)速度為100mm/S，運(yùn)動(dòng)間距為IOOum的條件下，所得的陣列化直線圖案的光學(xué)顯微圖。圖4是采用陣列化網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)時(shí)，噴印的PEO溶液(6%)，在電壓為l.OkV，兩極距離為5mm，運(yùn)動(dòng)速度為400mm/s，運(yùn)動(dòng)間距為5μπι的條件下，所得的陣列化網(wǎng)格圖案的光學(xué)顯微圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明的陣列化圖案噴印裝置，包括流量泵1，注射器2，導(dǎo)管3，金屬針頭5，承印層6，金屬基板7，X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)8和高壓發(fā)生器9，其中，所述金屬針頭5設(shè)置在金屬基板7上方，兩者分別連接到高壓發(fā)生器9正負(fù)端，從而在金屬針頭4和金屬基板7之間形成電場，該金屬針頭5通過導(dǎo)管3與流量泵1連通，所述金屬基板7設(shè)置在X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)8上，噴印溶液通過流量泵1進(jìn)入金屬針頭5，在電場作用下形成射流落到基板7上，同時(shí)，所述金屬基板7隨X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)8作二維移動(dòng)，帶動(dòng)固定在其上的承印層6，即可在承印層6上獲得噴印圖案。正極接在針頭5上，負(fù)極接在金屬基板7上。金屬針頭5設(shè)置在高度調(diào)節(jié)架4，其相對(duì)金屬基板7的距離可通過高度調(diào)節(jié)架4進(jìn)行調(diào)節(jié)。金屬基板7與金屬針頭5的距離可以根據(jù)電壓大小、金屬針頭內(nèi)徑大小和/或流量泵流量等因素進(jìn)行具體調(diào)節(jié)，例如5-30mm。金屬基板7上設(shè)置有打印介質(zhì)6，可以為硅片，紙張等多種材料。本發(fā)明中的上述裝置制備陣列化圖案的方法，可以采用如下優(yōu)選的步驟進(jìn)行A.配置質(zhì)量比為6%的聚氧化乙烯(PEO,600000)溶液，在30°C下使用磁力攪拌器攪拌20小時(shí)，靜止2小時(shí)；B.將上述溶液充入注射器2，并使導(dǎo)管內(nèi)也充滿溶液，直到金屬針頭有溶液滲出為準(zhǔn)，金屬針頭內(nèi)徑為0. 16mm ；金屬針頭5與高壓發(fā)生器9的正極相連；金屬基板7與高壓發(fā)生器9的負(fù)極相連，且距離金屬針頭5的距離為5mm ；金屬基板7固定在X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)8上，以100mm/S的速度按照圖2所示軌跡運(yùn)動(dòng)，軌跡直線的間距為IOOum ；給兩極間施加 2. 5KV電壓，進(jìn)行電噴印。得到如圖3所示的直線陣列圖案。本發(fā)明中的上述裝置制備陣列化圖案的方法，也可以采用如下優(yōu)選的步驟進(jìn)行A.配置重量百分比濃度為3%的聚氧化乙烯(PEO，600000)溶液，在30°C下使用磁力攪拌器攪拌20小時(shí)，靜止2小時(shí)；B.將上述溶液充入注射器2，并使導(dǎo)管內(nèi)也充滿溶液，直到金屬針頭有溶液滲出為準(zhǔn)，金屬針頭內(nèi)徑為0. 16mm ；金屬針頭5與高壓發(fā)生器9的正極相連；金屬基板7與高壓發(fā)生器9的負(fù)極相連，且距離金屬針頭5的距離為5mm ；金屬基板7固定在X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)8 上，以400mm/s的速度按照圖2所示軌跡運(yùn)動(dòng)，軌跡直線的間距為5um ；給兩極間施加1. OKV 電壓，進(jìn)行電噴印?？v向噴印完成后，調(diào)整收集硅片角度，使之旋轉(zhuǎn)90度，再次按照圖2所示軌跡，在相同條件下進(jìn)行噴印，得到如圖4所示的網(wǎng)格陣列圖案。另外，上述實(shí)施例中所提及的金屬針頭內(nèi)徑、金屬基板7與金屬針頭5之間的電壓值以及金屬基板7移動(dòng)速度等并不限定在本實(shí)施例中的數(shù)值范圍，可以根據(jù)實(shí)際情況，如流量泵流量大小、噴印速度等進(jìn)行具體設(shè)置。流量泵所供給的溶液流量優(yōu)選為10 lOOOnl/min，其平均速度可以小于基板運(yùn)
動(dòng)速度。金屬基板7與金屬針頭5的距離可以根據(jù)電壓大小、金屬針頭內(nèi)徑大小和/或流量泵流量等因素進(jìn)行具體調(diào)節(jié)，例如5-10mm。上述實(shí)施例的可噴印溶液中的高分子材料，可以包括聚氧化乙烯后偶PEDOTPSS 等可配置成溶液的絕緣或?qū)щ姷墓δ懿牧希瑫r(shí)也可是包括金屬納米粒子/聚合物的復(fù)合材料。溶液濃度優(yōu)選為2% 6%，具有較高粘度。
權(quán)利要求
1.一種基于電流體動(dòng)力噴印的陣列化圖案噴印裝置，包括金屬針頭(5)，承印層(6)， 金屬基板(7)，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(8)和高壓發(fā)生器(9)，其中，所述金屬針頭( 設(shè)置在承印層(6)上方，該承印層(6)設(shè)置在金屬基板(7)上，該金屬針頭( 和金屬基板(7)分別連接到高壓發(fā)生器(9)正負(fù)端，從而在兩者之間形成電場， 所述金屬基板(7)可在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(8)的驅(qū)動(dòng)下作平面運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)承印層(6)運(yùn)動(dòng)，在電場作用下，噴印溶液通過金屬針頭( 流出并形成射流噴射到運(yùn)動(dòng)的承印層(6)上，即可在該承印層(6)上形成所需的噴印圖案。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列化圖案噴印裝置，其特征在于，所述的金屬針頭( 設(shè)置在一高度調(diào)節(jié)架( 上，其相對(duì)金屬基板(7)的距離可通過該高度調(diào)節(jié)架(4)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的陣列化圖案噴印裝置，其特征在于，該裝置還包括流量泵(1)，注射器⑵和導(dǎo)管(3)，噴印溶液通過所述流量泵⑴泵入注射器O)，并進(jìn)而通過所述導(dǎo)管C3)流入金屬針頭(5)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的陣列化圖案噴印裝置，其特征在于，所述的高壓發(fā)生器(9)的正極接在金屬針頭( 上，負(fù)極接在金屬基板(7)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的陣列化圖案噴印裝置，其特征在于，所述承印層(6)可以為硅片或紙張。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一所述的陣列化圖案噴印裝置，其特征在于，所述金屬針頭(5) 與金屬基板(7)的間距即兩極距離，為5 30mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求3-5之一所述的陣列化圖案噴印裝置，其特征在于，所述流量泵(1)所供給的溶液流量為10 lOOOnl/min。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7之一所述的陣列化圖案噴印裝置，其特征在于，所述高壓發(fā)生器 (9)上施加的電壓為0. 75 2. 50kV。
9.一種利用上述權(quán)利要求1-8之一所述的陣列化圖案噴印裝置制備陣列化圖案的方法，具體包括(1)準(zhǔn)備噴印溶液配置高分子聚合物溶液作為噴印溶液，并將其充入導(dǎo)管和流量泵的注射器中；(2)靜電噴印在金屬針頭(5)和金屬基板(7)之間施加電壓，控制注射器(2)使得噴印溶液以一定的流量供給到金屬針頭(5)，當(dāng)金屬針頭(5)的出口處溶液所受電場力大于溶液表面張力時(shí)，形成泰勒錐并形成射流，噴射到承印層(6)上；(3)控制金屬基板(7)按照圖案的設(shè)定的軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，即可得到所需圖案。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述的射流沉積在金屬基板(7)上的速度小于基板移動(dòng)速度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于電流體動(dòng)力噴印的陣列化圖案噴印裝置，包括金屬針頭，承印層，金屬基板，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和高壓發(fā)生器，其中，所述金屬針頭設(shè)置在承印層上方，該承印層設(shè)置在金屬基板上，該金屬針頭和金屬基板分別連接到高壓發(fā)生器正負(fù)端，從而在兩者之間形成電場，所述金屬基板可在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)下作平面運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)承印層運(yùn)動(dòng)，在電場作用下，噴印溶液通過金屬針頭流出并形成射流噴射到運(yùn)動(dòng)的承印層上，即可在該承印層上形成所需的噴印圖案。本發(fā)明還公開了利用上述裝置制備圖案的方法。本發(fā)明基于拉伸輔助的高精度定位，實(shí)現(xiàn)了在工程環(huán)境下，高精度陣列化圖案的簡單、快速制造，突破了傳統(tǒng)靜電噴印技術(shù)在射流定位與噴印特定圖案方面的限制。
文檔編號(hào)B41J2/01GK102529366SQ2012100106
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月13日
發(fā)明者劉慧敏, 尹周平, 布寧斌, 黃永安 申請人:華中科技大學(xué)